Investigadores del MIT y sus colegas han convertido un material "mágico" compuesto por capas atómicamente finas de carbono en tres útiles dispositivos electrónicos. Normalmente, este tipo de dispositivos, clave para la industria de la electrónica cuántica, se crean utilizando diversos materiales que requieren múltiples pasos de fabricación. El método del MIT resuelve automáticamente una serie de problemas asociados a esos procesos más complicados.

Como resultado, el trabajo podría dar paso a una nueva generación de dispositivos electrónicos cuánticos para aplicaciones como la informática cuántica. Además, los dispositivos pueden ser superconductores o conducir la electricidad sin resistencia. Sin embargo, lo hacen a través de un mecanismo no convencional que, si se estudia más a fondo, podría aportar nuevos conocimientos sobre la física de la superconductividad. Los investigadores publican sus resultados en el número del 3 de mayo de Nature Nanotechnology.

"En este trabajo hemos demostrado que el grafeno de ángulo mágico es el más versátil de todos los materiales superconductores, lo que nos permite realizar en un solo sistema una multitud de dispositivos electrónicos cuánticos. Utilizando esta plataforma avanzada, hemos podido explorar por primera vez una física superconductora novedosa que sólo aparece en dos dimensiones", afirma Pablo Jarillo-Herrero, catedrático de Física Cecil e Ida Green del MIT y líder del trabajo. Jarillo-Herrero también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Un ángulo mágico

El nuevo material "mágico" se basa en el grafeno, una única capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. Desde el primer aislamiento inequívoco del grafeno en 2004, el interés por este material se ha disparado debido a sus propiedades únicas. Por ejemplo, es más fuerte que el diamante, transparente y flexible. Además, conduce fácilmente tanto el calor como la electricidad.

En 2018, el grupo de Jarillo-Herrero hizo un sorprendente descubrimiento que implicaba dos capas de grafeno, una colocada encima de la otra. Esas capas, sin embargo, no estaban exactamente una encima de la otra, sino que una estaba ligeramente girada en un "ángulo mágico" de 1,1 grados.

La estructura resultante permitía al grafeno ser un superconductor o un aislante (que impide el flujo de corriente eléctrica), dependiendo del número de electrones en el sistema proporcionado por un campo eléctrico. Esencialmente, el equipo fue capaz de ajustar el grafeno a estados completamente diferentes cambiando el voltaje con el giro de un mando.

El material "mágico" en general, conocido formalmente como grafeno de doble capa con ángulo mágico (MATBG), ha generado un intenso interés en la comunidad investigadora, inspirando incluso un nuevo campo conocido como twistrónica. También está en el centro del trabajo actual.

En 2018, Jarillo-Herrero y sus colaboradores cambiaron el voltaje suministrado al material mágico a través de un único electrodo, o puerta metálica. En el trabajo actual, "introdujimos múltiples puertas para someter diferentes áreas del material a diferentes campos eléctricos", dice Daniel Rodan-Legrain, estudiante de posgrado en física y autor principal del artículo de Nature Nanotechnology.

De repente, el equipo fue capaz de ajustar diferentes secciones del mismo material mágico a una plétora de estados electrónicos, desde el superconductor hasta el aislante, pasando por algún punto intermedio. Luego, aplicando puertas en diferentes configuraciones, pudieron reproducir todas las partes de un circuito electrónico que normalmente se crearían con materiales completamente diferentes.

Dispositivos que funcionan

Finalmente, el equipo utilizó este método para crear tres dispositivos electrónicos cuánticos diferentes. Estos dispositivos incluyen una unión Josephson, o un interruptor superconductor. Las uniones de Josephson son los componentes básicos de los bits cuánticos, o qubits, que están detrás de los ordenadores cuánticos superconductores. También tienen otras aplicaciones, como la incorporación a dispositivos que pueden realizar mediciones muy precisas de los campos magnéticos.

El equipo también creó dos dispositivos relacionados: un dispositivo de tunelización espectroscópica y un transistor de un solo electrón, es decir, un dispositivo muy sensible para controlar el movimiento de la electricidad, literalmente un electrón cada vez. El primero es clave para estudiar la superconductividad, mientras que el segundo tiene diversas aplicaciones, en parte por su extrema sensibilidad a los campos eléctricos. 

Los tres dispositivos se benefician de estar hechos de un único material eléctricamente sintonizable. Los que se fabrican de forma convencional, con múltiples materiales, se enfrentan a diversos problemas. Por ejemplo, los distintos materiales pueden ser incompatibles. "Ahora, si se trata de un solo material, esos problemas desaparecen", dice Rodan-Legrain.

William Oliver, profesor asociado del MIT en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática que no participó en la investigación, afirma: "El MATBG tiene la notable propiedad de que sus propiedades eléctricas -metal, superconductor, aislante, etc.- pueden determinarse aplicando un voltaje a una puerta cercana. En este trabajo, Rodan-Legrain et al. han demostrado que pueden fabricar dispositivos bastante complicados que comprenden regiones superconductoras, normales y aislantes mediante la activación de la puerta eléctrica de un solo copo de MATBG. El enfoque convencional consistiría en fabricar el dispositivo en varios pasos utilizando diferentes materiales. Con el MATBG, los dispositivos resultantes son totalmente reconfigurables con sólo cambiar las tensiones de puerta".

Hacia el futuro

El trabajo descrito en el artículo de Nature Nanotechnology allana el camino para muchos posibles avances futuros. Por ejemplo, dice Rodan-Legrain, podría utilizarse para crear el primer qubit sintonizable por voltaje a partir de un solo material, que podría aplicarse en futuros ordenadores cuánticos.

Además, dado que el nuevo sistema permite realizar estudios más detallados de la enigmática superconductividad del MATBG, y es relativamente fácil de trabajar, el equipo tiene la esperanza de que pueda permitir la creación de superconductores de alta temperatura. Los superconductores actuales sólo pueden funcionar a temperaturas muy bajas. "Esa es una de las grandes esperanzas [de nuestro material mágico]", dice Rodan-Legrain. "¿Podemos utilizarlo como una especie de piedra Rosetta" para entender mejor a sus primos de alta temperatura?

Rodan-Legrain describe las sorpresas con las que se encontró el equipo mientras realizaba la investigación. Por ejemplo, algunos de los datos de los experimentos no se correspondían con las expectativas iniciales del equipo. Esto se debe a que las uniones Josephson que crearon utilizando MATGB atómicamente delgadas eran bidimensionales y, por tanto, tenían un comportamiento notablemente diferente al de sus homólogas convencionales en 3D. "Fue genial recibir los datos, verlos, quedar perplejo ante ellos, y luego seguir comprendiendo y dando sentido a lo que veíamos".

Además de Jarillo-Herrero y Rodan-Legrain, los autores adicionales del trabajo son Yuan Cao, un postdoc en el Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT; Jeong Min Park, un estudiante graduado en el Departamento de Química; Sergio C. de la Barrera, postdoc en el MRL; Mallika T. Randeria, becaria postdoctoral Pappalardo en el Departamento de Física; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, ambos del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales de Japón. (Rodan-Legrain, Cao y Park han contribuido a partes iguales al artículo).

Este trabajo ha contado con el apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU., el Departamento de Energía de EE.UU., la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU., la Fundación Bancaria "la Caixa", la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Ramón Areces, una beca Pappalardo del MIT y el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón.